Геохимия часть 2

Стабильные изотопы в современной геологии

 

Радиоактивный распад – один из процессов, приводящих к вариациям в распространенности изотопов. Второй процесс, вызывающий фракционирование изотопов, обусловлен небольшими различиями в физико-химических свойствах разных изотопов одного и того же элемента. Замещение любого атома в молекуле на один из его изотопов вызывает наименьшее из всех возможных изменений в химических свойствах вещества, однако, добавление одного нейтрона к молекуле может значительно уменьшить скорость химической реакции. Различия в физико-химических свойствах изотопов обусловлены квантовомеханическими эффектами. Вследствие этого, связи, образованные легким изотопом слабее связей с участием тяжелого изотопа и молекула с легким изотопом будет реагировать быстрее, то есть будет более реакционноспособна, чем молекула, содержащая тяжелый изотоп.

 

Вследствие различий в физико-химических свойствах изотопных молекул их химические и физические превращения обычно сопровождаются фракционированием  изотопов, то есть распределением их между двумя фракциями вещества с разными изотопными отношениями.

Фракционирование происходит в результате:

 

1)    Реакций изотопного обмена, не сопровождающихся изменениями концентраций реагирующих веществ, но приводящих к перераспределению изотопов элемента между различными молекулами, содержащими этот элемент.

 

2)     Однонаправленных реакций, скорость которых зависит от изотопного состава, участвующих в реакции веществ. Фракционирование в таких реакциях всегда связано с предпочтительным накоплением легкого изотопа в продуктах реакции. Например, бактериальное восстановление сульфатов морской воды в сульфидную фазу происходит на 2,2% быстрее для легкого изотопа 32S , чем для тяжелого изотопа 34S.

 

3)    Физических процессов, в которых разница в массах играет роль, например, испарения и конденсации, плавления и кристаллизации, адсорбции и десорбции, а также диффузии ионов и молекул, обусловленной наличием градиентов концентраций и температуры. Водяной пар, образующийся при испарении воды, обогащен  16O и 1Н, тогда как остающаяся вода обогащена 18О и D (дейтерием - 2Н)- связано с разным давлением пара молекул с разной массой.

 

Большинство встречающихся в природе элементов имеет несколько стабильных изотопов. Максимально у олова – 10, в среднем около трех на элемент. Ощутимое фракционирование наблюдается только для тех изотопов, которые имеют большую относительную разницу масс, то есть для изотопов легких элементов с порядковыми номерами < 40 (легче, чем Ca)  (т.к. чем значительнее относительное различие масс изотопов, тем технически проще их измерять).  В геохимии рассматриваются отношения стабильных изотопов у следующих элементов: H, Li, B, C, N, O, Si, S, Cl, Mg. Наибольший интерес представляют O, H, C, S. Большинство из них имеет общие характеристики:

1)    Низкие атомные массы.

 

2)    Большую относительную разницу масс их изотопов.

 

3)    Образуют связи с высокой степенью ковалентного характера.

 

4)    Элементы существуют в более чем одной стадии окисления (С, N, S) -тяжелый изотоп концентрируется в тех молекулах, где элемент находится в наиболее окисленном состоянии, или(и) образуют стабильные формы твердых, жидких и газообразных соединений в широком интервале температур – тяжелый изотоп накапливается в твердой фазе, которая обладает более прочными связями.

Геохимия стабильных изотопов используется для решения разных проблем, например, в геотермометрии для определения температуры образования пород и минералов, в магматических породах для решения вопроса – была ли контаминация коровым материалом, так как кора имеет различные изотопные отношения кислорода, чем мантия. Числовые значения  изотопных отношений (2Н/1Н, 18О /16О, 13С/12С) в разных химических соединениях атмосферы, гидросферы, породах и минералах литосферы могут рассматриваться как числовые характеристики геологических объектов (газов, воды, минералов, пород), отражающие условия их происхождения (генезиса). В настоящее время в геологии изотопные отношения используются в качестве генетических меток чрезвычайно широко. “ В геологической науке в настоящее время нет более мощного инструмента исследования генетических проблем, чем анализ изотопных отношений элементов”.

 

Количественное измерение изотопов проводится в изотопных лабораториях на сложных точных и дорогостоящих приборах – масс-спектрометрах. Полученные значения изотопных отношений в конкретных пробах сравниваются с этим значением в стандарте. В качестве стандартов выбраны достаточно распространенные природные соединения, в которых на основе многочисленных определений вычислены средние значения изотопных отношений.    Изотопное отношение характеризуется отклонением от стандарта - величиной δ (дельта), определяемой как разность между изотопным отношением в образце и стандарте, деленная на изотопное отношение в стандарте. Величины измеряются в промиллях ‰ (части на тысячу):

δ ‰ = (Rобр /Rst-1)*1000.

Принято брать отношение более тяжелых к более легким изотопам. Если δ (дельта) положительна, то образец обогащен тяжелым изотопом, если отрицательна – то обеднен тяжелым изотопом по сравнению со стандартом. 

 

Для описания изотопного фракционирования используют коэффициент разделения изотопов, определяемый как α = Ra/ Rb, Ra – отношение содержаний тяжелого и легкого изотопа в фазе А, Rb – отношение содержаний тяжелого и легкого изотопа в фазе B. Коэффициент разделения для любой системы зависит от температуры, то есть фракционирование в природе определяется температурой окружающей среды. Это свойство применяется в изотопной термометрии. 1000 ln α = A(106T-2)+B, где A и B – константы, определяемые экспериментально. Интерпретация наблюдаемых вариаций в изотопном составе природных объектов основана на обобщении большого количества таких данных и проводится гл.образом сравнением друг с другом и с результатами  из экспериментальных данных. Чем ниже температура, тем сильнее проявляется фракционирование изотопов.